JP6293675B2 - Wavelength tunable external cavity laser diode with GRSM for OCT - Google Patents
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Description
発明の分野
この発明は光源の分野、つまり電磁放射スペクトルの赤外線、可視、および紫外線の部分における電磁放射源の分野にある。より具体的には、この発明は、光源、および光干渉断層撮影装置、ならびに変動する波長の光線を生成する方法に関する。
FIELD OF THE INVENTION This invention is in the field of light sources, that is, the field of electromagnetic radiation sources in the infrared, visible and ultraviolet portions of the electromagnetic radiation spectrum. More specifically, the present invention relates to a light source, an optical coherence tomography apparatus, and a method for generating a light beam having a varying wavelength.
発明の背景
調整可能な光源は、多くの適用例に対して役立つ。それらの中には、波長が上側波長と下側波長との間で往復して高速で掃引される波長掃引光干渉断層撮影法(SS−OCT)がある。他の適用例は、DC調整(つまり、波長を所望の値に設定し、それを測定のために一定時間の間維持すること)またはさまざまな周波数および/もしくは異なる掃引特性などでの掃引などを必要とする。
BACKGROUND OF THE INVENTION Adjustable light sources are useful for many applications. Among them is wavelength-swept optical coherence tomography (SS-OCT) in which the wavelength is swept back and forth between the upper and lower wavelengths at high speed. Other applications include DC adjustment (ie, setting the wavelength to the desired value and maintaining it for a certain time for measurement) or sweeping at various frequencies and / or different sweep characteristics, etc. I need.
さまざまな方法を用いて、掃引された光源が達成されている(本明細書においては、一般的に、「光」という語は、可視域だけでなく、近赤外線および中間赤外線ならびに近紫外線における電磁放射、特に300nmと2000nmとの間の範囲における電磁放射にも関する)。これらの中には、波長調整のためにマイクロ電気機械的システム(MEMS)が用いられる光源がある。例えば、WO 2010/111795 A1に開示されるように、ある格子はリトロー(Littrow)構成−入射光線および回折光線が同一直線上(または同軸)である−において用いることができるが、波長掃引は、格子の移動によってではなく、格子に入射する光線を移動させることによって引起こされる。 A variety of methods have been used to achieve a swept source (in general, the term “light” is used herein to refer not only to the visible range, but also to near and mid infrared and near ultraviolet radiation. Radiation, especially electromagnetic radiation in the range between 300 nm and 2000 nm). Among these are light sources in which a microelectromechanical system (MEMS) is used for wavelength adjustment. For example, as disclosed in WO 2010/11795 A1, certain gratings can be used in a Littrow configuration-where incident and diffracted rays are collinear (or coaxial)- It is caused by moving light rays incident on the grating, not by moving the grating.
この発明の目的は、広範囲にわたって調整可能な波長調整可能な光源を提供することである。この発明のさらなる目的は、(瞬間的に)出力される光の帯域幅が小さい、波長調整可能な光源を提供することである。この発明のさらに別の目的は、出力光のパラメータが波長範囲にわたってほんのわずかにのみ変動する光源を提供することである。この発明のさらに別の目的は、特にコンパクトな光源を提供することである。 An object of the present invention is to provide a wavelength-tunable light source that can be adjusted over a wide range. A further object of the present invention is to provide a wavelength-tunable light source that has a small (instantaneous) output light bandwidth. Yet another object of the present invention is to provide a light source whose output light parameters vary only slightly over the wavelength range. Yet another object of the present invention is to provide a particularly compact light source.
これらならびに他の目的は、少なくとも一部が、特許請求の範囲に規定されるようなこの発明によって達成することができる。 These as well as other objects can be achieved, at least in part, by the present invention as defined in the claims.
この発明のある局面によれば、特に外部キャビティ半導体レーザー光源であり得る光源は、
−光増幅を与えるよう動作可能な半導体利得装置と、
−回折格子、特に透過回折格子を含む波長選択要素と、
−光再方向付け器とを含み、
利得装置、光再方向付け器および回折格子を、相互に配置して、光共振器を、利得装置によって発せられ回折格子によって回折される光部分に対して確立し、
光共振器は外部キャビティレーザー共振器であり、
光源は、共振器において循環する放射の波長選択要素(特に前記回折格子)上への入射角を変動させることによって、共振器放射波長を前記入射角に依って選択することが可能である。
According to one aspect of the invention, the light source, which can be an external cavity semiconductor laser light source, in particular,
A semiconductor gain device operable to provide optical amplification;
A wavelength selective element comprising a diffraction grating, in particular a transmission diffraction grating, and
-A light redirector;
A gain device, an optical redirector and a diffraction grating are arranged with respect to each other to establish an optical resonator for the optical portion emitted by the gain device and diffracted by the diffraction grating;
The optical resonator is an external cavity laser resonator,
The light source can select the resonator radiation wavelength depending on the angle of incidence by varying the angle of incidence of the radiation circulating in the resonator onto the wavelength selection element (especially the diffraction grating).
光再方向付け器は、共振器における光が間を往来する共振器端部要素を含む。共振器端部要素は、(そのうちの1つが、光の一部を出力結合するよう部分的に透明であってもよい)ミラーであってもよく、または、代替的実施例では、端部要素の1つは、反射において動作される格子、例えば前述の回折格子であってもよい。共振器端部要素に加えて、光再方向付け器は、光の伝搬に影響を及ぼすさらなるミラー、プリズム、レンズなど、または他の要素を任意で含んでもよい。 The light redirector includes a resonator end element through which light in the resonator travels. The resonator end element may be a mirror (one of which may be partially transparent to outcouple some of the light) or, in an alternative embodiment, the end element One may be a grating operated in reflection, such as the diffraction grating described above. In addition to the resonator end element, the light redirector may optionally include additional mirrors, prisms, lenses, etc., or other elements that affect the propagation of light.
この発明の概念は、入力光線を波長選択要素(特に前記回折格子)に関して傾けることにより波長λが選択される方策に基づく:λ=fct(入力角度)。波長選択要素は異なる波長の光線を異なる方向に向け、特定の波長範囲についてのみ、共振器条件が満たされ、一方、この波長範囲外の光部分は共振器において往復循環することはできない。 The concept of the invention is based on the strategy in which the wavelength λ is selected by tilting the input beam with respect to the wavelength selection element (in particular the diffraction grating): λ = fct (input angle). The wavelength selection element directs light beams of different wavelengths in different directions, so that the resonator condition is satisfied only for a specific wavelength range, while the light portion outside this wavelength range cannot reciprocate in the resonator.
前記回折格子は透過回折格子であることが規定できる。このようにして、増大した分解能が、光源の非常に小さいフォームファクタを維持しながら達成されてもよく、なぜならば、光は、前記光共振器において一回往来伝搬する間に透過回折格子において2度回折されることができるからである。この場合、前記光共振器は、利得装置によって発せられ透過回折格子を通して透過される光部分に対して確立される。代替的に、前記回折格子は反射回折格子であり得る。 It can be specified that the diffraction grating is a transmission diffraction grating. In this way, increased resolution may be achieved while maintaining a very small form factor of the light source, since light travels twice in the transmission grating while propagating once in the optical resonator. This is because it can be diffracted. In this case, the optical resonator is established for the optical part emitted by the gain device and transmitted through the transmission grating. Alternatively, the diffraction grating can be a reflective diffraction grating.
さらに、回折格子は静的(静止状態)であることも規定できる。これは通常当てはまる場合である。回折格子は、例えば基板に関して機械的に固定することができる。それは、特に、前記光再方向付け器および/または前記利得装置に関して固定することができる。静的な回折格子では、格子は波長走査中には移動しない。非常に迅速な波長走査は、静的な回折格子、および波長選択要素(特に回折格子)上への入射角を変更するために設けられる方向変動装置で、達成可能になり得る。他の態様では方向変動装置を用いることにより(より簡単に)達成可能であるにもかかわらず、好適な回折格子の典型的なサイズおよび質量のため、回折格子を移動させることによって、高速の走査速度を達成することは、多くの場合、可能ではないか、または少なくともかなり困難である。 Furthermore, it can also be defined that the diffraction grating is static (stationary state). This is usually the case. The diffraction grating can be mechanically fixed with respect to the substrate, for example. It can be fixed in particular with respect to the light redirector and / or the gain device. In a static diffraction grating, the grating does not move during wavelength scanning. Very quick wavelength scanning may be achievable with static diffraction gratings and direction change devices provided to change the angle of incidence on the wavelength selective element (especially the diffraction grating). Due to the typical size and mass of a suitable diffraction grating, fast scanning can be achieved by moving the diffraction grating, although this can be achieved (more easily) by using a direction changer in other embodiments. Achieving speed is often not possible or at least quite difficult.
多くの実施の形態では、光源は、(通常は静止している)波長選択要素上に入射する光の方向を変動することができる方向変動装置を含む。方向変動装置は、特に、利得装置から来る光の波長選択要素(および特に回折格子)上へのその入射角を変動することができるように、利得装置から来る光を偏向させてもよい。あるグループの実施の形態においては、方向変動装置は、例えばMEMSミラーなど、作動されるミラーのような、または振動する光ファイバのような、光を偏向させる可動要素を伴う光偏向器を含む(振動する光ファイバ、および振動する光ファイバを含む掃引される光源についての、より多くの詳細は、R. Isagoらによる「光ファイバの振動を用いる150kHzの掃引速度を伴う波長掃引レーザー(A wavelength swept laser with a sweep rate of 150 kHz using vibrations of optical fiber)」、SPIE論文集7004巻700410−1において見出すことができ、その全体をここに引用により援用する)。適用例によっては、可動要素は共振する態様において振動するという点において移動してもよく、または、擬似DC形態、もしくは実際の位置は制御電圧のような制御パラメータによってすべての時間において実質的に設定される「真の」DC形態において移動してもよい。方向変動装置を実施する代替的態様は、電気光学的光線偏向器を設けることを含む。電気光学的光線偏向器の下では、我々は、材料の一部を含む装置であって、材料の一部は、材料への電気信号の印加によって、材料において伝搬する光の伝搬の方向を変動させることができることを理解する。そこにおいては、特に固体材料が対象であり、および、特に、材料の前記部分は、半導体構造またはKTN結晶のような非線形の光学結晶であり得る。通常、該材料の部分は、光のための入射面および出射面を設ける。半導体構造に基づいた電気光学的光線偏向器は、より詳細にさらに以下に記載される。非線形の光学結晶に基いた電気光学的光線偏向器についてのより多くの詳細は、例えば、公開物の、Shogo Yagiらによる「機械的に自由な150kHz繰り返し波長掃引が組み込まれたKTN電気光学的偏向器(A Mechanical-free 150-kHz Repetition Swept Light Source Incorporated a KTN Electro-optic Deflector)」、SPIE論文集7889巻78891J−1、およびJ. Miyazuらによる「KTa1−xNbxO3結晶を用いる400kHz光線走査("400 kHz Beam Scanning Using KTa1-xNbxO3Crystals)」、CLEO/QELS、論文CTuG5(2010)において見出すことができ、それらの全体をここに引用により援用する。電気光学的光線偏向器の上記の定義は、さらに、ポッケルス効果(ポッケルスセル)に基づいた装置を含む。少なくとも現在の知識によれば、ポッケルス効果に基づいた電気光学的光線偏向器は、光源の寸法が非常に小さくなければならないかまたは特に高速の走査速度が必要である適用例に対して好適ではないようなので、そのような偏向器はこの発明においては排除されてもよい。 In many embodiments, the light source includes a direction varying device that can vary the direction of light incident on the wavelength selective element (which is normally stationary). The direction varying device may in particular deflect the light coming from the gain device so that its angle of incidence on the wavelength selective element (and especially the diffraction grating) of the light coming from the gain device can be varied. In one group of embodiments, the direction change device includes an optical deflector with a moving element that deflects light, such as an actuated mirror, such as a MEMS mirror, or an oscillating optical fiber. For more details on oscillating optical fibers and swept light sources including oscillating optical fibers, see R. Isago et al., “A wavelength swept with a 150 kHz sweep rate using optical fiber oscillation. laser with a sweep rate of 150 kHz using vibrations of optical fiber) ”, SPIE Proceedings 7004, 700410-1, which is incorporated herein by reference in its entirety). Depending on the application, the movable element may move in that it vibrates in a resonant manner, or a pseudo DC form, or the actual position is set substantially at all times by a control parameter such as a control voltage. May be moved in a “true” DC configuration. An alternative way of implementing the direction change device includes providing an electro-optic beam deflector. Under an electro-optic beam deflector, we are a device that includes a part of a material, the part of which varies the direction of propagation of light propagating in the material by the application of an electrical signal to the material Understand what you can do. There, especially solid materials are of interest, and in particular, said portion of material may be a non-linear optical crystal, such as a semiconductor structure or a KTN crystal. Typically, the material portion provides an entrance surface and an exit surface for light. Electro-optical beam deflectors based on semiconductor structures are described in more detail further below. More details on electro-optic beam deflectors based on nonlinear optical crystals can be found, for example, in the publication by Shogo Yagi et al. “KTN electro-optic deflection incorporating a mechanically free 150 kHz repetitive wavelength sweep. (A Mechanical-free 150-kHz Repetition Swept Light Source Incorporated a KTN Electro-optic Deflector), SPIE Proceedings Vol. 7889, 78891J-1, and “KTa 1-x Nb x O 3 crystal by J. Miyazu et al. 400 kHz Beam Scanning Using KTa 1-x Nb x O 3 Crystals, CLEO / QELS, paper CTuG5 (2010), which is incorporated herein by reference in its entirety. The above definition of electro-optic beam deflector further includes devices based on the Pockels effect (Pockels cell). At least according to current knowledge, electro-optic beam deflectors based on the Pockels effect are not suitable for applications where the size of the light source must be very small or particularly high scanning speeds are required. As such, such a deflector may be eliminated in the present invention.
波長選択要素は、共振器の端部要素を構成する反射性端部表面を含んでもよく、(したがって、同時に、言及された光再方向付け器の1つである)。これらの実施の形態においては、波長選択要素は、回折格子(特に2つのプリズム間の透過回折格子)を含み、共振器端部要素を構成するブロックを含み、特にそのようなブロックであり得る。ほとんどの実施の形態では、反射性端部表面はミラーを構成する。ミラーの代りに、そのような反射性端部表面はさらなる格子、特に準リトロー構成における格子であってもよい。 The wavelength selective element may include a reflective end surface that constitutes the end element of the resonator (and is therefore at the same time one of the light redirectors mentioned). In these embodiments, the wavelength selection element includes a diffraction grating (especially a transmission diffraction grating between two prisms) and includes blocks constituting a resonator end element, and may be in particular such a block. In most embodiments, the reflective end surface constitutes a mirror. Instead of a mirror, such a reflective end surface may be a further grating, in particular a grating in a quasi-Littrow configuration.
代替的実施例では、共振器端部要素は波長選択要素とは離れており、空気間隙のような気体間隙が波長選択要素と端部要素との間に配される。さらに、そのような代替的実施例では、端部要素は、端部ミラーを含んでもよく、または再帰反射型格子であってもよい。 In an alternative embodiment, the resonator end element is remote from the wavelength selection element, and a gas gap, such as an air gap, is disposed between the wavelength selection element and the end element. Further, in such alternative embodiments, the end elements may include end mirrors or may be retroreflective gratings.
いずれにせよ、波長選択要素が共振器端面近くに位置することを規定することは有利であり得る。特に、利得要素および(もし設けられた場合には)光遅延部の両方は波長選択要素より方向変動装置の他方の側において位置することを規定できる。 In any case, it may be advantageous to define that the wavelength selective element is located near the resonator end face. In particular, it can be defined that both the gain element and the optical delay (if provided) are located on the other side of the direction change device from the wavelength selection element.
これらの実施の形態では、格子を通して透過された光は、共振器端部要素の1つによって反射されて、特に、恐らくはプリズム、および以下に説明されるように周期性フィルタとして機能する考えられ得るエタロンを除いて、どのような光遅延要素も通過することなく、格子に戻る。 In these embodiments, the light transmitted through the grating is reflected by one of the resonator end elements, and may be considered to function in particular as a prism and possibly a periodic filter as described below. With the exception of the etalon, it returns to the grating without passing through any optical delay elements.
そのような設定の利点は、小さな光偏向器を、設定全体の可能な簡潔性とならんで、用いることができる(光偏向器上の入射点は波長に依存しない)点である。 The advantage of such a setting is that a small light deflector can be used in conjunction with the possible simplicity of the overall setting (the point of incidence on the light deflector is wavelength independent).
さらに、この発明の多くの実施の形態においては、レーザー共振器内に透過型格子を置くという概念に内在する複光路概念形状の簡潔さにもかかわらず、増大した分解能を生じさせる。 Furthermore, many embodiments of the present invention provide increased resolution despite the simplicity of the double-pass conceptual shape inherent in the concept of placing a transmissive grating in a laser resonator.
光の別個の波長に対する要素の「分解能」または「色分解能」はR=λ/Δλとして規定され、λは波長であり、Δλは最も小さな分解可能な波長差である。回折性の要素に対しては、解像限界は、分離された光部分の最大値(回折最大値)に適用されるようなレイリー基準によって判断されてもよく、つまり、一方の最大値が他方の第1の最小値に位置するとき、2つの波長がまさに分解される。 The “resolution” or “color resolution” of an element for a discrete wavelength of light is defined as R = λ / Δλ, where λ is the wavelength and Δλ is the smallest resolvable wavelength difference. For diffractive elements, the resolution limit may be determined by a Rayleigh criterion as applied to the maximum of the separated light part (diffraction maximum), ie one maximum is the other The two wavelengths are exactly resolved when located at the first minimum of.
代替物によれば、透過回折格子の場合、(原則として、前述の方向変動装置のように実施することができる)放射偏向装置を、格子の「後ろ側」において、つまり利得装置が配置される側の反対の、透過回折格子の側において、配置してもよい。したがって、放射偏向装置に向かって伝搬する透過回折格子を通して透過された光は、可動共振器端部要素であり得る放射偏向装置によって格子に反射し返される。次いで、可動共振器端部要素は、光源帯域幅全体の光部分を反射するために十分なサイズを必要とする。 According to an alternative, in the case of a transmissive diffraction grating, a radiation deflection device (which can in principle be implemented like the direction-varying device described above) is arranged on the “back side” of the grating, ie a gain device. It may be arranged on the side of the transmission grating opposite the side. Thus, light transmitted through the transmissive diffraction grating propagating toward the radiation deflector is reflected back to the grating by the radiation deflector, which can be a movable resonator end element. The movable resonator end element then requires a sufficient size to reflect the light portion of the entire light source bandwidth.
多くの実施の形態からの特定の特徴によれば、波長選択要素は、プリズム上格子の構成(GRISM)を含む。これにおいては、回折格子は、単一のプリズム上に、または特に透過回折格子の場合には、2つのプリズム間に配置される。さらに、2つを超えるプリズムおよび/または1つを超える格子を伴う設定も、可能である。GRISMでは、プリズムの分散能は、回折格子の選択性を増大させてもよく、および/または入力角度と波長との間の非線形の関係が平坦(平滑)にされ得るように用いることができる。同様に、一般に回折格子上への異なる入射角のためにスペクトル範囲全体にわたって一様ではない分解能を、スペクトル調整範囲にわたってより均質の分解能を示すように平坦(平滑)にすることができる。加えて、プリズム(複数可)は、回折格子のために機械的な保護を与えることができる。格子は表面レリーフ透過型格子であることを規定することが可能である。 According to particular features from many embodiments, the wavelength selective element comprises an on-prism grating configuration (GRIMS). In this, the diffraction grating is arranged on a single prism, or in particular in the case of a transmission diffraction grating, between two prisms. Furthermore, settings with more than two prisms and / or more than one grating are possible. In GRISM, the dispersive power of the prism may increase the selectivity of the diffraction grating and / or can be used so that the non-linear relationship between input angle and wavelength can be flattened. Similarly, resolution that is generally not uniform over the entire spectral range due to different angles of incidence on the diffraction grating can be made flat (smooth) to show more uniform resolution over the spectral tuning range. In addition, the prism (s) can provide mechanical protection for the diffraction grating. It can be specified that the grating is a surface relief transmissive grating.
さらに、(特に、例えばGRISMにおいて回折格子に取付けられた、)湾曲した入射表面を有するプリズムを設けることも可能である。そこでは、凹状プリズム形状が可能であるが、さらに凸状プリズム形状も可能である。凹状プリズム形状の場合では、入射表面は特に円形の形状を描くことができる。凸状プリズム形状の場合には、入射表面は円形の形状を描くことができるが、それはむしろ非円形の形状を描くことができる。 In addition, it is possible to provide a prism with a curved entrance surface (especially attached to the diffraction grating, for example in GRISM). There, a concave prism shape is possible, but a convex prism shape is also possible. In the case of a concave prism shape, the entrance surface can draw a particularly circular shape. In the case of a convex prism shape, the incident surface can draw a circular shape, but it can rather draw a non-circular shape.
波長選択要素は少なくとも1つの湾曲した回折格子を含み、この湾曲した回折格子は、いずれにしても波長選択要素に含まれる前述の回折格子と同一または異なり得ることを規定できる。 It can be provided that the wavelength selective element comprises at least one curved diffraction grating, which curved diffraction grating can be the same or different in any case from the aforementioned diffraction gratings comprised in the wavelength selective element.
この発明の特定の局面においては、光源は、前述の第1の半導体利得装置に加えて、光増幅を与えるよう動作可能な第2の半導体利得装置を含み、方向変動装置は、第1の半導体利得装置において増幅された光および第2の半導体利得装置において増幅された光を受け、受取られた光のさらなる伝搬の方向を変動することができるように配される。加えて、第3の、またはさらなる半導体利得装置を設けることも可能である。そのような光源は波長多重化を可能にし得る。異なる半導体利得装置のASE(増幅された自然放出光)スペクトルは、通常異なり、それらは、重複または非重複であり得る。この発明の前記局面においては、光源は2つの異なる波長、特に、明確に間隔を置かれた波長の光を同時に発し走査することを可能にすることができる。第1および第2の半導体利得装置は、光源の1つの光共振器または2つの光共振器に含まれる。特に、(少なくとも)2つの異なる半導体利得装置を伴う2つの異なる実施の形態が記載される。 In a specific aspect of the present invention, the light source includes a second semiconductor gain device operable to provide optical amplification in addition to the first semiconductor gain device described above, and the direction changing device includes the first semiconductor gain device. The light amplified in the gain device and the light amplified in the second semiconductor gain device are received and arranged such that the direction of further propagation of the received light can be varied. In addition, a third or further semiconductor gain device can be provided. Such a light source may allow wavelength multiplexing. Spectrum (ASE amplified) the ASE of different semiconductor gain device will generally differ, they duplicate or may be non-overlapping. In the above aspect of the invention, the light source may be capable of simultaneously emitting and scanning two different wavelengths, in particular, clearly spaced wavelengths. The first and second semiconductor gain devices are included in one optical resonator or two optical resonators of the light source. In particular, two different embodiments with (at least) two different semiconductor gain devices are described.
第1の実施の形態では、少なくとも1つのビームスプリッタが、少なくとも2つの別個の(部分的な)光線経路を形成するために設けられ、前記第1および第2の半導体利得装置は、前記少なくとも2つの別個の光線経路のうちの異なる光線経路に配置される。この場合、両方の(またはすべての)半導体利得装置は1つの同じ光共振器内に配置することができるが、2つの部分的に重複する(または部分的に同一の)光共振器が形成されることを規定することも可能である。(第1の半導体利得装置で生成された光、および第2の半導体利得装置で生成された光に対して)単一の方向変動装置のみを用いることが可能であり、単一の波長選択要素のみ、例えばこの特許出願に記載される単一のGRISMまたは他の波長選択要素の1つを設けることが十分であり得る。異なる半導体利得装置が配置される別個の光路は部分的な光線経路として考慮することができ、そこでは、(少なくとも一般に)異なる波長の光が伝搬する。これらの別個の光路は論理的に平行な光線経路として考慮することができる。1つ以上のビームスプリッタによって、別個の光路は、通常、それらを2つの平行な光路に、または、より特定的には、2つの同軸の光路に変換するように、組み合わせられ、対応する平行の、または同軸でさえある光線は、方向変動装置に当たって、波長選択要素上に入射する光の方向の前述の変動を達成する。この第1の実施の形態は、これらの半導体利得装置の重複するASEスペクトルの場合において特に好適であり得る。 In a first embodiment, at least one beam splitter is provided to form at least two separate (partial) ray paths, and the first and second semiconductor gain devices are the at least 2 It is placed in a different ray path of two separate ray paths. In this case, both (or all) semiconductor gain devices can be placed in one and the same optical resonator, but two partially overlapping (or partially identical) optical resonators are formed. It is also possible to prescribe that. It is possible to use only a single direction change device (for light generated by the first semiconductor gain device and light generated by the second semiconductor gain device) and a single wavelength selection element It may be sufficient to provide only one of the single GRISM or other wavelength selective elements described in this patent application, for example. Separate optical paths in which different semiconductor gain devices are arranged can be considered as partial beam paths, where (at least generally) different wavelengths of light propagate. These separate optical paths can be considered as logically parallel ray paths. With one or more beam splitters, the separate optical paths are usually combined to convert them to two parallel optical paths, or more specifically to two coaxial optical paths, and corresponding parallel paths. Rays that are, or even coaxial, impinge on the direction changing device to achieve the aforementioned variation in the direction of light incident on the wavelength selective element. This first embodiment may be particularly suitable in the case of overlapping ASE spectra of these semiconductor gain devices.
第2の実施の形態では、前述の第1の波長選択要素に加えて、第2の波長選択要素が設けられる。そして、前述の第2の半導体利得装置、および/またはさらなる光再方向付け器、ならびに第2の波長選択要素は、さらなる第2の光共振器が第2の半導体利得装置によって発せられた光部分のために確立されるように、相互に配置される。第2の光共振器は外部キャビティレーザー共振器であり、方向変動装置は、第2の波長選択要素上に入射する光の方向を変動させることにより、共振器放射波長を第2の波長選択要素上の光の入射角に依って選択することを可能にする。この第2の実施の形態では、2つの光共振器は両方とも同じ方向変動装置を利用して形成される。その結果は、(明確に)異なる波長の光線について、本質的に同期された波長走査を生じさせることが可能である、ということである。これは、特に光干渉断層撮影適用例の場合において有利であり得るが、他の適用例でも有用であり得る。この第1の実施の形態は、半導体利得装置の(実質的に)重複しないASEスペクトルの場合に、特に好適であり得るが、(実質的に)重複しないASEスペクトルの場合に適用することもできる。 In the second embodiment, in addition to the first wavelength selection element described above, a second wavelength selection element is provided. And the second semiconductor gain device, and / or the further optical redirector, and the second wavelength selection element described above, wherein the additional second optical resonator is emitted by the second semiconductor gain device. To be established with each other. The second optical resonator is an external cavity laser resonator, and the direction changing device changes the direction of the light incident on the second wavelength selecting element to change the resonator emission wavelength to the second wavelength selecting element. Allows selection depending on the angle of incidence of the light above. In the second embodiment, the two optical resonators are both formed using the same direction changing device. The result is that it is possible (indefinitely) to produce an essentially synchronized wavelength scan for light of different wavelengths. This can be advantageous, especially in the case of optical coherence tomography applications, but can also be useful in other applications. This first embodiment may be particularly suitable in the case of (substantially) non-overlapping ASE spectra of semiconductor gain devices, but can also be applied in the case of (substantially) non-overlapping ASE spectra. .
異なる波長の光の同時生成に対して1つの同じ方向変動装置を利用することは、2つの異なる方向変動装置を用いることから来る問題がない。それらの問題は、例えば光を偏向させる可動要素(例えばMEMSミラーのような作動されるミラー)の場合、製造性の問題によることがあり得、例えば同じ(または少なくとも十分に等しい)共振周波数を有する2つの共振して動作可能なミラーを製造または見出すことを困難にする。 Utilizing one and the same direction change device for the simultaneous generation of light of different wavelengths is free from the problem of using two different direction change devices. These problems may be due to manufacturability issues, for example in the case of movable elements that deflect light (eg actuated mirrors such as MEMS mirrors), eg having the same (or at least sufficiently equal) resonance frequency It makes it difficult to produce or find two resonating and operable mirrors.
(さらなる半導体利得装置を伴う前述の特定の局面の規定または非規定とは独立した)あるグループの実施の形態では、光源は、レーザー共振器内において配置された(ファブリーペローエタロンのような)周期性フィルタを含む。周期性フィルタは、外部レーザーキャビティにおいて認められるモードの数を低減すること、およびそれによって分解能をさらに増強することを助ける。波長走査中において、例えば、動作は、鋭く規定されたピークから鋭く規定されたピークに跳んでもよい。 In one group of embodiments (independent of the provision or non-definition of the specific aspect described above with additional semiconductor gain devices), the light source is a period (such as a Fabry-Perot etalon) placed in a laser resonator. Includes sex filter. The periodic filter helps to reduce the number of modes found in the external laser cavity and thereby further enhance the resolution. During a wavelength scan, for example, operation may jump from a sharply defined peak to a sharply defined peak.
そのような周期性フィルタは、ファブリーペローエタロン、またはさらには光学的リング共振器などのような任意の他の好適な手段によって構成されてもよい。それは、第1の選択肢によれば、方向変動装置の利得要素側に置かれてもよい。第2の選択肢によれば、ファブリーペローエタロンは、さらに、波長選択要素の一部であってもよく、または方向変動装置と波長選択要素との間、または波長選択要素「の後ろに」、つまり波長選択要素と共振器端面との間に置かれてもよい。 Such a periodic filter may be constituted by any other suitable means such as a Fabry-Perot etalon, or even an optical ring resonator. It may be placed on the gain element side of the direction change device according to the first option. According to a second option, the Fabry-Perot etalon may also be part of the wavelength selection element, or between the direction change device and the wavelength selection element or “behind” the wavelength selection element, ie It may be placed between the wavelength selection element and the resonator end face.
多くの実施の形態では、光源は、さらに、簡潔に遅延部とも呼ばれる、光遅延部を含む。1つより多い遅延部を設けることも可能である。遅延部は、光共振器において、利得装置が配置される側と同じ波長選択要素の側に配置されてもよい。それは、(通常固体の)材料からなるブロックを含んでもよく、十分に規定された光線経路長を伴う光線経路が、利得装置によって生成される、遅延部内において伝搬する光に対して規定される。遅延装置における光線光路長は例えば共振器の光路長の少なくとも40%を構成してもよい(光線光路長は、物理的な長さ×屈折率として計算される)。一般的に、遅延装置は、材料からなるブロックにおいて伝搬する光部分を往来反射するために複数個の反射面を含む。加えて、または代替物として、遅延装置は、少なくとも部分的に、導波路によって定義されてもよい。 In many embodiments, the light source further includes an optical delay, also referred to briefly as a delay. It is also possible to provide more than one delay unit. The delay unit may be disposed on the same wavelength selection element side as the side on which the gain device is disposed in the optical resonator. It may comprise a block of (usually solid) material, and a light path with a well-defined light path length is defined for the light propagating in the delay section generated by the gain device. The optical path length of the delay device may constitute at least 40% of the optical path length of the resonator, for example (the optical path length is calculated as physical length × refractive index). In general, the delay device includes a plurality of reflecting surfaces for back-and-forth reflecting a portion of light propagating in a block of material. Additionally or alternatively, the delay device may be defined at least in part by a waveguide.
そのような遅延部は多重平面の共振器設計の一部であってもよく、共振器において案内される光は、第1の面、および第1の面とは異なる第2の面を規定し、偏向構成は、共振器において循環する光を第1の面から第2の面に偏向させる。共振器において循環する光は、次いで、例えば、遅延部においては第1の面において伝搬し、波長選択要素においては第2の面において伝搬してもよい。さらに、共振器において伝搬する光は、加えて、第3の面において伝搬することを規定することが可能である。第1および第2の面は、一般的に任意の態様において互いに関して向き付けることができ、平行な向き付け、およびある場合には垂直な向き付けが、特に好適であり得る。同じことが、第3の面および恐らく既存のさらなる面に、第1の面および/または第2の面に関して、当てはまる。 Such a delay may be part of a multi-planar resonator design, and the light guided in the resonator defines a first surface and a second surface that is different from the first surface. The deflection configuration deflects light circulating in the resonator from the first surface to the second surface. The light circulating in the resonator may then propagate on the first surface, for example in the delay section, and on the second surface in the wavelength selection element. In addition, light propagating in the resonator can additionally be defined to propagate in the third plane. The first and second faces can generally be oriented with respect to each other in any manner, and parallel orientation, and in some cases perpendicular orientation, can be particularly suitable. The same is true for the first side and / or the second side for the third side and possibly further existing side.
屈折率n>1を伴う(通常)固体の材料からなる遅延部は、より小さな屈折率の(通常気体の)材料が用いられる場合ほど光線発散の一因とならず、加えて、同じ光路長の実現に対して必要とされる空間がより少ない。これらはすべて、特に小さな光源の製造を可能にすることに貢献できる。これらの効果は、光源に恐らく存在する遅延部だけでなく、そこに存在するプリズムにも当てはまる。 A retarder made of a (usually) solid material with a refractive index n> 1 does not contribute to ray divergence as much as a smaller (refractive index) (usually gas) material is used, in addition, the same optical path length Less space is required to realize All of these can contribute to enabling the production of particularly small light sources. These effects apply not only to the delays that are probably present in the light source, but also to the prisms present there.
利得装置は、例えば半導体光増幅器(SOA)であり得る。それは、特に共振器によって規定された光路(一方の端部から他方の端部への一回の移動)のおおよそ中間、例えばこの光路長の50%±25%の位置において、より特定的にはこの光路長の50%±15%の位置において、配置することができる。 The gain device can be, for example, a semiconductor optical amplifier (SOA). It is more particularly at approximately the middle of the optical path defined by the resonator (one movement from one end to the other end), for example at a position of 50% ± 25% of this optical path length. It can be arranged at a position of 50% ± 15% of this optical path length.
光源は、波長調整可能な光源が所望される任意の適用例に対して用いられてもよい。ある例によれば、光源は波長掃引光干渉断層撮影(SS−OCT)に対して光源として用いられてもよい。OCT装置は、光源に加えて、干渉計(またはその一部)、および1つ以上の検出器を、k−クロック、絶対波長トリガ、走査機構のようなさらなる要素とならんで、含んでもよい。 The light source may be used for any application where a wavelength tunable light source is desired. According to an example, the light source may be used as a light source for wavelength swept optical coherence tomography (SS-OCT). In addition to the light source, the OCT apparatus may include an interferometer (or part thereof), and one or more detectors, along with additional elements such as k-clock, absolute wavelength trigger, scanning mechanism.
この発明は、さらに、光源に加えて、
−光源と光通信を行ない、光源によって生成されサンプルから返される光の一部を、光源によって生成され参照経路から返される光の一部と結合するよう動作可能である干渉計の一部と、
−干渉計からそのように結合された光を受けるよう位置決めされる検出器ユニットとを含む、OCTモジュールに関する。
In addition to the light source, the invention further provides:
A portion of an interferometer that is in optical communication with the light source and is operable to combine a portion of the light generated by the light source and returned from the sample with a portion of the light generated by the light source and returned from the reference path;
A detector unit positioned to receive light so coupled from the interferometer.
特にそれは加えて、
−光学素子ユニットを含み得、光学素子ユニットは、光源から生じる光部分をサンプル上の合焦点上に合焦させること、および走査を実行するのに好適であり、前記合焦点およびサンプルは互いに対して移動される。
In particular it adds
An optical element unit, which is suitable for focusing the light part originating from the light source on a focal point on the sample and performing a scan, said focal point and the sample being relative to each other; Moved.
変動する波長の光線を生成する方法は、
−回折格子、特に透過回折格子を含む波長選択要素を設けるステップと、
−半導体利得装置において光を増幅するステップと、
−利得装置によって発せられ回折格子によって回折される光部分に対して外部キャビティレーザー共振器を確立するステップと、
−波長選択要素上に入射する光の方向を変動させることにより、共振器放射波長を波長選択要素上の光の入射角に依って選択するステップとを含む。
The method of generating light rays with varying wavelengths is
Providing a wavelength selective element comprising a diffraction grating, in particular a transmission diffraction grating;
Amplifying light in a semiconductor gain device;
-Establishing an external cavity laser resonator for the optical part emitted by the gain device and diffracted by the diffraction grating;
Selecting the resonator radiation wavelength depending on the angle of incidence of the light on the wavelength selection element by varying the direction of the light incident on the wavelength selection element.
図面の簡単な記載
以下において、この発明の実施の形態および局面が図面を参照して記載される。図面はすべて概略的であり、尺度決めされず、同じ参照番号は、同じかまたは類似の要素を指す。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS In the following, embodiments and aspects of the invention will be described with reference to the drawings. The drawings are all schematic and are not scaled, and the same reference numbers refer to the same or similar elements.
実施の形態の詳細な記載
この発明の第1の実施の形態のレーザー光源1が、図1に示される。レーザーは、半導体光増幅器11(SOA)を利得要素(または利得装置)として含む。SOAはpn接合上に電流を注入することによってポンピングされる。電気的にポンピングされるSOA(およびR−SOA)は、当該技術分野において公知であり、ここではこれ以上詳細には記載されない。
Detailed Description of Embodiments A
光遅延部13は制限された空間で光学的なレーザーキャビティ長を増大させるために働く。コリメータレンズ12−それは、屈折率分布型レンズ(GRIN)もしくは他の好適なレンズ(例えば非球面レンズまたは無彩色レンズ)または鏡(例えばオフ軸放物面鏡)であってもよい−は、キャビティにおいて循環する光を利得要素11上で平行にするために働く。遅延部13は、反射面を伴う、シリカ、ガラスまたはポリマーのような透明材料からなるブロックを含む。反射面は、全反射のため、および/または適用される反射性コーティングのため、完全に反射性であってもよい。反射面に加えて、光遅延部13は、さらに、入力結合面および出力結合面として働き、高い透過率のために最適化される、2つの面を含む。そのような光遅延部およびそれらの利点に関するより詳細な教示は、その全体をここに引用により援用されるWO 2010/111795 A1に見出すことができる。
The
レーザー1のレーザーキャビティの境界は、キャビティから規定された部分を伝達する出力結合ミラー15、および波長調整構成によって定められる。波長調整構成は、走査要素として、可動ミラー21(または走査ミラー)、ならびに特に図1の実施の形態においては格子およびプリズムの構成20である波長選択要素20(非常に広い文言の意味においては分散性要素である)を含む。格子およびプリズムの構成20(GRISM20とも呼ばれる)は、2つのプリズム23および24を、透過回折格子25がそれらの間にある状態で含む。透過回折格子25は、この実施の形態および他のすべての実施の形態において、例えば、体積位相ホログラフィ格子(VPH格子;体積位相格子VPGとも呼ばれる)、または任意の他のタイプの透過型格子、例えば周期構造または恐らくはチャープ構造を伴う表面レリーフ格子であってもよい。さらに、回折型格子は、反射型格子として、特にプリズム(反射型GRISM)との組合せで実施されることが可能であることも注目され、さらに以下を参照されたい。
The boundary of the laser cavity of the
利得要素側(多くの実施の形態では、それは遅延部側でもある:多くの場合、遅延部13および利得要素11が走査要素21(可動ミラー)の同じ側にある場合、有利であるが、それらをその異なる側に配置することも可能である)から波長選択要素20に向かって伝搬する光は、可動ミラー21によって偏向させられ、第1のプリズム23に入る。そこから、それは回折格子25に伝搬する。第2のプリズム24における1次(または恐らくさらに高次)回折光線部分は、レーザーキャビティの(出力結合ミラー15に加えて)第2の端部として同時に働く反射性端面26に伝搬する。光線は、反射性端面26に、それに対して直角に当たり、それは、同じ経路で回折格子25および第1のプリズム23を通って伝搬して可動ミラー21に戻る。
Gain element side (in many embodiments it is also the delay part side: in many cases it is advantageous if the
SOA11およびコリメーション光学素子12を遅延部13の一方の側に配置し、走査要素21を他方の側に配置する(すべてのそのような位置および順序および構成は、当然、光路に関する)代りに、それらを遅延部13と走査要素21との間に配置することも可能である。
Instead of placing the
さらに、光線成形はもっぱらコリメーション光学素子12によって達成されなくてもよく、加えて、この特許出願において記載されるように、例えばプリズムまたはさらなる回折格子の入射表面のような、さらなる要素または表面がそれに寄与してもよい。
Furthermore, beam shaping may not be achieved solely by the
可動ミラーが走査する(示された実施の形態では、それは、図面の面に垂直な軸のまわりの回転運動によって概略的に示される)と、透過型格子25上の入射点および入射角は変化し、結果的に、光が反射性端面26に直角に入射するという条件が満たされる波長は変化する。結果として、共振器波長(または共振器波長範囲)はミラー21の移動によって走査することができる。格子およびプリズムの構成20のプリズムの端面、つまり光が格子およびプリズムの構成20に入るかまたはそれから出るプリズムの面での屈折によって、格子およびプリズムの構成20の回折度数を増大させてもよい。図1の実施の形態では、これは、プリズム23のみ(すなわち図1において右側に描かれるプリズム23の表面)に当てはまり、仮に反射性端面26が存在せず、プリズム24に取付けられていない(または少なくとも完全に取付けられてはいない)ミラーと置換される場合には、プリズム24に当てはまるであろう。そのような屈折プリズム端面は、すべての波長に対してより一定の分解能を提供するために光源1において達成される波長フィルタ処理の全分散を「平坦にする」(平滑にする、またはより一定にする)ことに貢献し得る。典型的には、相対的により長い波長に対しては、格子の分解能は、相対的により小さな波長に対してよりも高く(それは、一般的に、逆でもあり得る)、したがって(プリズム端面のような)傾けられた表面は、格子25上の楕円の光線形状が最初は円形の光線から達成されるように配置することができる。より多くの数の格子線のこのように達成される利用は、分解能を「平坦にする」ことのために調整することができる。
As the movable mirror scans (in the embodiment shown, it is schematically indicated by a rotational movement about an axis perpendicular to the plane of the drawing), the incident point and angle on the transmission grating 25 change. As a result, the wavelength at which the condition that light enters the reflective end face 26 at a right angle is changed. As a result, the resonator wavelength (or resonator wavelength range) can be scanned by moving the
格子(格子25)が2度通過される構成の利点は、所与の数の照射された格子線に対する分解力(分解能)が増大されるということである。加えて、プリズムの効果、およびそれらへの、より平坦でない入射角を伴う、可能な形状のため(上記の段落を参照)、分散性要素20の分解能は、典型的には約70°以上の大きな入射角で動作されるように向き付けられるリトロー構成における標準的な反射型格子に対するよりも、スペクトル範囲にわたって、より平坦(より一定)である。このように達成可能な、より平坦な(より一定の)分解能特性は、(特にプリズムが取付けられない)同様の反射型格子の場合に対して、スペクトル性能を改善する。
The advantage of a configuration in which the grid (grating 25) is passed twice is that the resolution (resolution) for a given number of irradiated grid lines is increased. In addition, due to the effects of the prisms and possible shapes with a less flat angle of incidence on them (see paragraph above), the resolution of the
さらなる利点は、複光路構成であるにもかかわらず、分散性要素は、特に、示されるように、第2のプリズム24の端面が反射しているか、または共振器の反射端部がGRISM構成のすぐ近くに置かれる場合、依然としてコンパクトである、という点である。反射性端面26は、(コーティングによって、または予め製造されたミラーを接着などにより取付けることによって設けられる)ミラーによって形成されてもよく、または統合もしくは取付けられた反射型格子であってもよい。
A further advantage is that, despite the double optical path configuration, the dispersive element, in particular, is reflected by the end face of the
図2は、多少より詳細に、図1のレーザーに示される種類のGRISM分散性要素を示す。さらに、最小波長λmin、中心波長λcおよび最大波長λmaxの、3つの異なる波長の光線の光線経路が示される。第1および第2のプリズム23および24の屈折率n1およびn2は等しくてもよく、または異なっていてもよい。n1=1および/またはn2=1であることも可能であり、その場合、1つまたは両方のプリズムを省いて、空気または保護気体と置換してもよい。多くの状況において、n1>1およびn2>1が好ましく、(必ずしもではないが)実践的な理由からは、しばしば、n1=n2が選択される。第1のプリズム23上の入射角βは、プリズム23によって反射される光部分によるさらなる共振器モードを防ぐように、(走査中において生じるすべての角度に関して、およびしたがってλminからλmaxまでのすべての波長に関して)90°とは異なるように選択することがあり得る。図2において、そのようなさらなる共振器モードは、走査動作下において、角度の一部に対しては存在せず;λmaxの近くのみ、これは当てはまらない。図2における破線は、透過型格子25を構成する材料と第1および第2のプリズムそれぞれとの間の界面上における法線を示す。入射光線および(典型的には1次)回折光線それぞれとそれぞれの法線との間の角度γおよびδは、等しくてもよく(格子に関して対称の構成)、異なっていてもよい(非対称の構成)。回折格子での角度は、格子の面法線を参照し、屈折表面での角度は、図においては、表面を参照するように描かれるが、しかし、これらの角度を、計算において、例えばスネルの式において用いるときは、いかなる当業者にも明らかなように、面法線を参照する角度が取られなければならない。
FIG. 2 shows in more detail a GRISM dispersive element of the kind shown in the laser of FIG. In addition, the ray paths of rays of three different wavelengths, the minimum wavelength λ min , the center wavelength λ c and the maximum wavelength λ max are shown. The refractive indices n 1 and n 2 of the first and
さらに、屈折率n1および設定の外形の選択は、最大角(示された構成では最大波長λmax)γでは全反射(TIR)に対して臨界角未満であるように行われなければならない。TIRが生じ得るのは、入射プリズム23が格子構造(または格子層)より大きな屈折率n1を有する場合、またはプリズム23と格子25との間に存在する光学セメントのような接合材料が、プリズム23より低い屈折率を有する場合である。
Furthermore, the choice of the refractive index n 1 and the set profile must be made such that at the maximum angle (maximum wavelength λ max in the configuration shown) γ is below the critical angle for total reflection (TIR). TIR can occur when the
GRISM分散性要素20の別の変形物が、図3に示される。入射表面(つまり可動要素によって偏向された光線が入射する第1のプリズム23の表面)は、それが図2の構成において有する向きに関して傾けられる。示された向きにおいて存在するそのような傾斜は、走査中において生じるすべての入射光線に対して入射角β>90°(βは図において示されるように規定される)に至り、レーザーキャビティ内の残余の反射を防ぐかまたは少なくとも低減し、さらに、分散性要素20の分解能特性を平坦(平滑)にする(つまり分解能の波長依存性をより一定にする)のを助けてもよい。共振器条件が満たされる、より小さな波長光の第1のプリズム23上の入射角は、共振器条件が満たされる、より大きな波長光の前記プリズム23上の入射角より鈍角である。副次的効果として、プリズム23の分散は全体的な分散を増大させる。第2のプリズム24の外側表面は、回折光線経路におおよそ平行(および反射性コーティング26におおよそ垂直)であるか、または異なる角度で配置されて、0次回折光線の入射の角度αがこの外側表面に垂直ではなく、やはり、さらに望まれないレーザーモードを回避することを保証する。
Another variation of the GRISM
図4はさらなる変形物を示す。入射表面は(走査中において生じるすべての入射角に対して)β<90°を達成するように傾けられ、格子上の入射は相対的に平坦である(例えばγ>50°)。再び、これは、レーザーキャビティ内の残余の反射を抑えることを可能にするであろう。図4の構成は、プリズム23によって引起される光線形状の変形の発生のため、λmaxに対する最大分解能を増強する。例えばプリズム23の入射表面上に当たる(断面的に)丸い光線の場合では、光線は、プリズム23内では、わずかに楕円の形状を有して継続する。(より高いλに対して)βが小さいほど、この影響はより顕著である。
FIG. 4 shows a further variation. The incident surface is tilted to achieve β <90 ° (for all incident angles occurring during the scan) and the incidence on the grating is relatively flat (eg, γ> 50 °). Again, this will make it possible to suppress residual reflections in the laser cavity. The configuration of FIG. 4 enhances the maximum resolution for λ max due to the occurrence of beam shape deformation caused by the
(帯域幅の減少および/またはアセンブリサイズの増大の代償による)さらなる増強された分解能が、図5において示されるような1つ以上の格子を通る2つを超える経路を伴う多重経路構成によって達成される。示されるのは、3つのプリズム23、24、27が互いに取付けられ、透過型格子25、28が、それぞれ、対のプリズム23、24および24、27の間にある、(例えば接合された)嵩高いアセンブリである。最後のプリズム28は、再び反射面26を設けられる。
Further enhanced resolution (at the expense of reduced bandwidth and / or increased assembly size) is achieved by a multipath configuration with more than two paths through one or more gratings as shown in FIG. The Shown is a bulk (e.g., joined) in which three
図5の構成に対して記載される効果と同様の効果が、さらに、2つまたはそれより多い透過回折格子を1列に置き、反射器を端部に置くことによって、または透過型GRISMおよび反射型構成(例えば図2〜図4の1つに示されるような反射型GRISM)を1列に置くことによって、達成され得る。 An effect similar to that described for the configuration of FIG. 5 can also be obtained by placing two or more transmission gratings in a row and placing a reflector at the end, or transmissive GRISM and reflection. This can be accomplished by placing the mold configuration (eg, reflective GRISM as shown in one of FIGS. 2-4) in a row.
図6は、第2の格子28は、透過型格子の代りに(例えばホログラフィまたは表面レリーフ格子であってもよい)反射型格子として働き、先の実施の形態の端部反射器26を置換し、格子28は準リトロー構成において配置される変形物を示す。
FIG. 6 shows that the
1つより多い格子を伴う構成は、所与の所望の分散に対する格子線密度に対する要件を緩和するか、または要求によって、照射される格子線の数を増大することによって分解能を増大する。 Configurations with more than one grid relax the requirements on the grid line density for a given desired dispersion, or increase the resolution by increasing the number of grid lines illuminated as required.
図13は、特に凹状形状を有する光入射表面を含む、凹状面を伴うプリズム23を含む波長選択要素(特定的にはGRISM)を示す。入射表面は、ここでは、円筒(内側)表面の一部を描く。形状は、方向変動装置に、特定的にはGRISMの相対的位置および向きにならびに凹状プリズム面に、調整することができる。例えば、方向変動装置21としての、およびプリズム面の半径Rの円形の形状を伴う、MEMSミラーの場合においては、MEMSミラーの傾斜軸は、円形のプリズム面(半径Rの円が描かれる面に垂直なMEMSミラーの回転軸)に関してRの距離に置くことができる。このように、凹状プリズム面での可能な屈折の使用は、全体的な分解能を増大および/または平坦にすること、または方向変動装置21の必要な最大偏向角を低減すること対して、なされない。凹状プリズム面上に当たる光線は(プリズム表面が湾曲した面に)(わずかに)収束することを規定することが賢明であり、なぜならば、そのようにすると、光線は(プリズム表面が湾曲した面において)格子25上に当たるときに平行にされることが規定できるからである。もちろん、MEMSミラーの傾斜軸(または異なる方向変動装置の対応する軸もしくは点)を上述されたのとは違うところに置くことも可能であり、例えば図13において示される事例を参照されたい。
FIG. 13 shows a wavelength selective element (specifically GRISM) comprising a
図14は、凸状面、特に凸状形状を描く光入射面を伴うプリズムを含む波長選択要素(特定的にはGRISM)を示す。入射表面は、ここでは、円筒(外側)表面の一部を描く。形状は、方向変動装置に、特定的にはGRISMの相対的位置および向きにならびに凸状プリズム面に、調整することができる。そのような設計は入射光のより大きな(角度の)偏向およびしたがって方向変動装置のより大きな走査振幅を達成することを必要とするかもしれない。しかし、他方では、光線を、方向変動装置上に、特に、また、より大きな走査振幅および高速の走査速度に対してよりよく好適である、より小さなMEMSミラーを用いることを可能にしてもよい、対応するMEMSミラー上に、合焦させることが可能である。凹状表面は円形の形状を描いてもよいが、非円形の(非球面)形状を設けることは、その場所に存在する1つの波長に対する局所的な湾曲を最適化することを可能にして、局所的な湾曲が波長最適化されたレンズとして機能することを例えばさらなるコリメーションに対して可能にする。さらに、加えて、収差の効果を最小限にすることができる。 FIG. 14 shows a wavelength selective element (specifically GRISM) that includes a prism with a convex surface, in particular a light incident surface that describes a convex shape. The incident surface here represents a part of the cylindrical (outer) surface. The shape can be adjusted to the direction change device, in particular to the relative position and orientation of the GRISM and to the convex prism surface. Such a design may require achieving a greater (angular) deflection of the incident light and thus a greater scanning amplitude of the direction change device. On the other hand, however, it may be possible to allow the beam to be used on a direction change device, in particular smaller MEMS mirrors that are better suited for larger scan amplitudes and faster scan speeds, It is possible to focus on the corresponding MEMS mirror. The concave surface may depict a circular shape, but providing a non-circular (aspheric) shape allows the local curvature for one wavelength present at that location to be optimized, resulting in local For example, for further collimation, it is possible for a natural curvature to function as a wavelength optimized lens. In addition, the effects of aberrations can be minimized.
もちろん、それぞれ、図13および図14の実施の形態に対して記載された凹状および凸状のもののような湾曲したプリズム面は、この特許出願において記載される他の実施の形態においても適用を見出すことができる。 Of course, curved prism surfaces such as the concave and convex described for the embodiments of FIGS. 13 and 14, respectively, will find application in other embodiments described in this patent application. be able to.
図15は、波長選択要素、特定的にはGRISM+別個の(反射型)格子87を示す。分解能は光源における重要な大きさであり、なぜならば、それは、生成された光の干渉長にかなり影響を及ぼすからである。図15において示されるような波長選択要素を用いると、改善された(増大した)分解能を達成することができ、なぜならば、格子25の増大した数の線、および格子87の増大した数の線を照射することができるからである。これは格子87上のかすめ入射(典型的には、面法線に相対的に近い回折角と組み合わされた格子法線に対して45°より上)による。最初は丸い光線を用いると、光線は格子87上で楕円の形状を描き、したがって格子87上においてより多くの格子線を照射し、さらに、特に、格子25においては、増大した数の線が、例えば図2において示されるような構成に関して照射される。
FIG. 15 shows a wavelength selective element, in particular GRISM + separate (reflective) grating 87. Resolution is an important measure in the light source because it significantly affects the interference length of the generated light. With a wavelength selective element as shown in FIG. 15, improved (increased) resolution can be achieved because an increased number of lines of grating 25 and an increased number of lines of grating 87. This is because can be irradiated. This is due to grazing incidence on the grating 87 (typically above 45 ° relative to the grating normal combined with a diffraction angle relatively close to the surface normal). Initially using round rays, the rays draw an ellipse shape on the
図15において示される実施の形態で達成可能なものと同様の効果が、図16の実施の形態でも達成することができる。そこでは、透過回折格子88は図15における反射回折格子87の代りに用いられる。
Effects similar to those achievable with the embodiment shown in FIG. 15 can also be achieved with the embodiment of FIG. Here, the
また、同様の効果を、図17において示される実施の形態で達成することができる。そこでは、透過回折格子88は、透過回折格子25に取付けられるプリズム23に取付けられる。そして、さらなるプリズム29が、格子88の他方の側に(任意で)取付けられる。したがって、ここでは、波長選択要素は、2つの格子および3つのプリズムを含むGRISMを含むか、または、むしろ、2つの格子および3つのプリズムを含むGRISMである。
Similar effects can be achieved in the embodiment shown in FIG. There, the
さらに、2つの反射型格子を伴って、上記の効果を、図18において示されるように、達成することができる。そこでは、方向変動装置21も、(点線で)簡略に描かれる。この実施の形態では、光は利得装置と方向変動装置21との間のその途中でGRISMのプリズムを横断するが、プリズムをその経路上で横断しながら、光線は格子で回折されない。
Furthermore, with two reflective gratings, the above effect can be achieved as shown in FIG. There, the
図19では、1つのプリズム23と1つの反射回折格子25とを含む波長選択装置としてGRISMが用いられる、かなり単純な実施の形態が示される。後者はリトロー構成にある。さらに、ここでは、格子に取付けられた、光学的により密な媒体(例えばガラス)と組み合わせられた格子上のかすめ入射による増大した分解能の上記効果が、達成される。通常、そのような実施の形態では、(例えば、一般的に選択肢的なコリメーション光学素子12によって生成される)平行にされた光線が、プリズム23に入る。
In FIG. 19, a fairly simple embodiment is shown in which GRISM is used as a wavelength selection device including one
図20は、湾曲した格子89が用いられる実施の形態を示す。この事例では、方向変動装置21と湾曲した格子89との間の光線は、通常は、発散する光線であり、そして、準リトロー条件下の湾曲した格子89と格子23との間においては、光線は、(格子89の湾曲によって達成されるように)平行にされた光線である。もちろん、2つの格子は、両方とも、プリズムに、特定的には1つの同じプリズムに取付けられる(図20には図示せず)ことを規定することも可能である。
FIG. 20 shows an embodiment in which a
図7においては、GRISMの一部であり、第2のプリズム24において統合されるかまたは第2のプリズム24に取付けられた(典型的には接合された)図6の第2の格子28は、別個の伝統的な反射型格子41と置換される。反射型格子41の代りに、伝達効率の増大のために、例えばプリズムなどのさらなる波長選択要素+反射器を追加することが考えられる。これは、よりよいスペクトル帯幅に対する増大した分解能の利点を低減する(そして、GRISMは、透過型GRISMになり、もはや反射型GRISMではなくなる)であろうが、そのような代替的な構成は特殊な状況においては有利かもしれない。さらなる代替物として、プリズム24および/またはプリズム23を省略することが考えられる。
In FIG. 7, the
さらなる変形として、両方の屈折率n1およびn2をおおよそ1に等しいように選択することが考えられ、そのため、分散性要素は、もはやGRISMではなく、単なる独立型の透過型格子である。 As a further variation, it is conceivable to choose both refractive indices n 1 and n 2 to be approximately equal to 1, so that the dispersive element is no longer GRISM, but merely a stand-alone transmissive grating.
あるグループの実施の形態に従うと、分散性波長調整構成は、周期性フィルタと組み合わせられるか、またはそれを含む。これは、分散性要素(GRISMまたは他のもの)および周期性フィルタの十分に選択されたスペクトル特性の組合せのために外部キャビティレーザーにおいて認められるモードの数を低減することによって、周期的に(k空間においてであり、λ空間においてではない)増大した干渉長を結果として生じる。 According to one group of embodiments, the dispersive wavelength tuning arrangement is combined with or includes a periodic filter. This is done periodically (k by reducing the number of modes found in the external cavity laser due to the combination of the dispersive element (GRIMS or other) and the well-selected spectral characteristics of the periodic filter. This results in an increased interference length (in space, not in λ space).
図8および図9の実施の形態では、この周期性フィルタは波長調整構成と組み合わせたファブリーペローエタロンである。 In the embodiment of FIGS. 8 and 9, the periodic filter is a Fabry-Perot etalon combined with a wavelength tuning configuration.
図8では、周期性フィルタはGRISMと一体のファブリーペローエタロン51である。先に記載された実施の形態の端部反射器26は、共振器端面を形成する別個の反射面55と置換される。ファブリーペローエタロン51は、第2のプリズム24に対する界面における部分的に透過型のミラー52、およびさらなる部分的に透過型のミラー53を有する。ファブリーペローフィルタの2つのミラー52、53間の透明な光学媒体54は、プリズム23および24の屈折率n1、n2の一方または両方に等しいかまたは異なり得る屈折率n3を有してもよい。特殊な事例では、光学媒体は気体、例えば空気であってもよい。エタロン51は入射光に関して、特定的には、格子25からの光入射に関して、および/または反射面55からの光入射に関して、傾けられる。
In FIG. 8, the periodic filter is a Fabry-
図9は、図8に示される原理の変形を示す。ここでも、エタロン51は入射光に関して、特定的には、格子25からの光入射に関して、および/または反射面55からの光入射に関して、傾けられる。エタロン51と別個の反射面55との間には、傾けられたファブリーペローエタロン51の透明な光学媒体54の屈折率より小さいか、より大きいか、または等しくてもよい屈折率n4を伴う(固体の)透明な材料56からなるさらなるブロックがある。代替的な選択肢に従うと、エタロン51と別個の反射面55との間の空間は、気体、例えば空気によって満たされてもよい。
FIG. 9 shows a modification of the principle shown in FIG. Again, the
周期性フィルタを含む実施の形態では、周期性フィルタはファブリーペローエタロンである必要はなく、および/または分散性構成の一部であることを必要とせず、つまり、それは、さらに、レーザー共振器における可動要素21の利得要素側にあってもよい。
In embodiments that include a periodic filter, the periodic filter need not be a Fabry-Perot etalon and / or need not be part of a dispersive configuration, i.e., it may further be in a laser resonator. It may be on the gain element side of the
代替的な周期性フィルタ60の簡単な概略図が図10に示される。キャビティにおいて循環する光は、光学的リング共振器62に結合される第1の光導波路61に案内される。第1の導波路61を出てリング共振器62に結合される光量は、光の波長に依存し、特定的には光の波長に(波長)周期的な態様において依存する。要件によっては、そのようなフィルタを通して透過される光は、第1の導波路61を通して透過された光によって、またはリング共振器62を介して選択肢的な第2の光導波路63に結合される光によって構成されてもよい。前者の事例では、第1の導波路61は、キャビティの一部を構成する。後者の事例では、第1の導波路61の1つの分岐、リング共振器、および第2の導波路63の1つの分岐が、キャビティの一部を構成する。
A simple schematic diagram of an alternative
周期性フィルタ(または周波数櫛)のさらなる実施の形態が可能であり、この発明の実施の形態に従うレーザーのレーザー共振器の一部であり得る。 Further embodiments of the periodic filter (or frequency comb) are possible and may be part of the laser resonator of the laser according to embodiments of the invention.
異なる波長の2つの光線を同時に生成するのに好適な2つの実施の形態が、図21および図22に示される。両方の事例において、異なるASE(増幅された自然放出光)スペクトルを有する2つの別個の利得装置11a、11bが設けられる。1つの同じ方向変動装置21(例えば可動ミラー)が、光源において用いられる。これは、異なる波長範囲にわたって固有の同期された同時の波長走査を与えることができる。
Two embodiments suitable for simultaneously generating two rays of different wavelengths are shown in FIGS. In both cases, two
図21では、2つの論理的に平行な(部分的な)光線経路が、各々1つの半導体利得装置11aおよび11bをそれぞれ含んで形成される。これはビームスプリッタ16a、16b、17a、17bを用いて達成され、用語「ビームスプリッタ」は非常に広く一般的な意味において意味される。それらは、すべて、例えば半透明の鏡に基づいた従来のビームスプリッタであり得、ビームスプリッタ16bおよび17bは(従来の)ミラーでもあり得、一方、ビームスプリッタ16aおよび17aはさらにWDMコンバイナ(光波長分割多重化コンバイナ)でもあり得る。出力結合ミラー15は、利得装置11a、11bのいずれかにおいて生成された光に対して共通である。他の実施の形態におけるように、遅延部13(概略的に破線を用いて示される)は貴重な選択肢になり得る。ビームスプリッタ16aにおいて、異なる波長の光線は、平行または同軸にされ、異なる波長の2つの平行または2つの同軸の光線は方向変動装置21上に当たり、前述の態様で、波長選択要素20上に入射する光の入射角は(図21に破線で示されるように)変動される。2つの別個の、光を平行にする光学素子(各部分的な光線経路毎に1つ)、または1つの共通のそのような光学素子を、設けることができる。
In FIG. 21, two logically parallel (partial) ray paths are formed, each including one
さらに、ビームスプリッタ17aおよび17bおよび出力結合ミラー15を、1つの共通の出力結合ミラーによって、または2つの別個の出力結合ミラー(各部分的な光線経路毎に1つ)によって、または利得装置11a、11bの鏡付きの(反射性)端部によって、置換することも可能である。その場合、2つの部分的に同一の(部分的に重複する)光共振器が形成される。
In addition, the
ビームスプリッタは、偏光依存性または偏光無依存性であり得る。
特に、ASEスペクトルの最大値がかなり遠く離れている場合、(回折格子が動作可能な制限された波長範囲に対応するために)より高次の回折光線を利得装置11a、11bのうちの第1の利得装置において生成される光に対して用いることを規定できる。
The beam splitter can be polarization dependent or polarization independent.
In particular, if the maximum value of the ASE spectrum is quite far away, the higher order diffracted beam is transmitted to the first of the
図22では、2つの光共振器が、各々利得装置(26a/26b)、恐らくはコリメータ(12a/12b)および波長選択要素(20a/20b))を含んで形成される。両方の共振器は方向変動装置21、例えばMEMSミラーを共有する。利得装置11aおよび11bは図22において示されるように鏡付きにされ得る(反射性端面26a、26b)が、別個のミラー、または共通のミラーでさえ、または他のものであっても、共振器端面を形成するように設けることも考えられる。
In FIG. 22, two optical resonators are formed, each including a gain device (26a / 26b), possibly a collimator (12a / 12b) and a wavelength selection element (20a / 20b)). Both resonators share a
上記から、図21および図22の実施の形態が、それぞれ、どのように、3つ以上の利得装置に一般化することができるか明らかであり、かくして、2つ以上の異なる波長の、同時に波長走査される光の発光を可能にする。波長多重化は、例えば、光干渉断層撮影装置において有用であり得るが、他のところでも有用であり得る。 From the above, it is clear how the embodiments of FIGS. 21 and 22 can each be generalized to more than two gain devices, and thus two or more different wavelengths simultaneously Allows the emission of scanned light. Wavelength multiplexing can be useful, for example, in an optical coherence tomography apparatus, but can also be useful elsewhere.
さらに、光増幅器は、例えば、レーザー発振しない間ASE背景を低減するために、および/または出力された光をスペクトルにおいて平坦にするために、および/または他の理由ために、時間において調整することができる。 In addition, the optical amplifier may be adjusted in time, for example, to reduce the ASE background while not lasing, and / or to flatten the output light in the spectrum, and / or for other reasons. Can do.
例えばレーザーの、特にコンパクトな実施の形態の、特別な特徴が、図11aおよび図11bに示される。図11bは図11aのレーザーの波長走査構成を概略的な側面図において示す。 Special features of a particularly compact embodiment of a laser, for example, are shown in FIGS. 11a and 11b. FIG. 11b shows the wavelength scanning configuration of the laser of FIG. 11a in a schematic side view.
図11aのレーザーの第1の特徴は、利得要素11が反射型半導体光増幅器(R−SOA)であるということである。キャビティ端部ミラー15は、利得要素11の部分的に反射性のコーティングによって構成される。この第1の特徴は、キャビティにおいて結合損失がより少ないという利点を生じさせる。他方、(利得要素としての非反射型SOAの事例におけるように)別個のミラーを伴う実施の形態は、空間のホールバーニングに遭遇する傾向がより少なく、一般に、多重モード動作(結合されたレーザーキャビティ)に対してそれほど感度はよくない。
The first feature of the laser of FIG. 11a is that the
第1の特徴から独立して実現することができる図11aおよび図11bのレーザーの第2の特徴(つまり、これらの特徴のうち、第1のもののみ、第2のもののみ、もしくはそれら両方を実現することができ、またはそれらのいずれも実現されないことも可能である)は、多重層平面設計である。光は、利得要素11、コリメーション光学素子12、および遅延部13を通って、本質的に第1の面において案内されるが、偏向構成71は第1の面に平行な第2の面に光を案内し、そこでは、一般的には、第1および第2の面の任意の相互の整列または向きが可能である。GRISM20のような分散性波長選択要素20および可動ミラー21を含む波長調整構成では、光は第2の面において案内される。
The second feature of the laser of FIGS. 11a and 11b that can be implemented independently of the first feature (ie, of these features, only the first, only the second, or both) Can be realized, or none of them can be realized) is a multilayer planar design. Light is guided in the first surface essentially through the
特に、GRISM20は、遅延部13の上に置かれてもよい。例えば、それは例えば接着剤によってそれに取付けられてもよい。
In particular, the
ここに論じられた種類のレーザー1を含む光源の概略的な図が、図12に示される。出力結合ミラー15が利得要素の反射性コーティングまたは別個の要素である外部キャビティレーザー1のレーザーキャビティの外部において、下記の構成要素が配置される。
A schematic diagram of a light source including a
−利得要素と共に、光線を光線伝搬のためにファイバまたは光学フィードスルーに平行光にするよう機能する、コリメーション構成81(例えばコリメーションレンズまたは複数個のレンズ)(以下を参照)。コリメーション構成は、非球面レンズであってもよく、または非球面レンズを含んでもよい。さらに、GRINレンズまたはミラーを用いることも考えられる。原則的には、ファイバへの直接結合も可能であろう。 -A collimation arrangement 81 (e.g. a collimation lens or lenses) that, together with a gain element, functions to collimate the light into a fiber or optical feedthrough for light propagation (see below). The collimation configuration may be an aspheric lens or may include an aspheric lens. Further, it is conceivable to use a GRIN lens or a mirror. In principle, direct coupling to the fiber would also be possible.
−レーザーキャビティに戻るいかなる反射も防ぐよう、好ましくはレーザー1近くにある選択肢的な光アイソレータ82。
An optional
−WO 2010/111795に記載される波長計のような波長計84(またはk−クロック)に光線の一部を反射するビームスプリッタ83。
A
−ビームステアリング再方向付け器85。そのような手段は選択肢であり、望遠鏡などを形成するように、プリズム、くさび、ミラー、レンズの組合せによってのように、異なる方策で実現することが考えられる。一般に、そのような再方向付け器は、受動的であるが、結合効率の調整のために、1Dまたは2DのMOEMS(マイクロ−光−電気機械システム)のような能動的構成要素でもあり得る。光学フィードスルーがレーザー1により近いほど、そのような再方向付け器85によって提供可能な光学的ビームステアリングはより重要ではなくなる。
A
−光学フィードスルー88に光線を結合するための結合レンズ87。(例えば導波路またはウィンドウであり得る)フィードスルーがどのように実現されるかによって、レンズは必要であるかまたは必要ではない。また、ミラーまたは他のタイプの合焦光学素子を用いることができる。
A
−光学フィードスルーとしてのファイバ88。ファイバは、レーザー1に向かって戻る後方反射を防ぐために、角度をつけてクリーブされるかまたは研磨され得る。ファイバをレンズと組み合わせること、例えば、ファイバ上に接着された(真っすぐまたは角度を付けられた)GRINレンズも可能であり、結合レンズ87およびファイバフィードスルー88は、ともになって、単一の構成要素と見なされるであろう。
-
上記の構成要素は、必要に応じて、組み合わせて、各々単独で、または任意の下位組合せで、用いられてもよい。 The above-described components may be used in combination, as needed, each alone or in any sub-combination.
示された構成において記載された要素は、すべて、共通の基板90によって担持される。基板は、さらに、例えば、レーザー内で、ファイバ結合に対してとは異なる光線直径が好ましい場合に、基板90より上に可能な異なる高さの光軸を形成するために、または(異なる厚みの)別個の基板上においてサブアセンブリを収容するために、いくつかのレベルで実現することができる。基板は、好ましくはセラミックから形成され、機械的安定性のために、相対的に厚く、例えば、少なくとも0.5mmおよび/もしくは多くとも10mm、または少なくとも1mmおよび/もしくは多くとも6mmである。
All elements described in the illustrated configuration are carried by a
基板によって保持される構成要素は、機械的な保護を与えるケーシングによって包まれる。光共振器の構成要素はすべて前記ケーシングに配置することができる。ケーシングは特に密閉して閉じることができ、さまざまな環境的状況、例えばある気体/気体混合物または(ある度合の)真空の存在をそこに実現することが可能である。光学フィードスルー88に加えて、ケーシングは、特に、レーザー1および/または前記構成要素の他の1つ以上の制御のために、複数個の電気的なフィードスルー91を含む。
The components held by the substrate are encased by a casing that provides mechanical protection. All components of the optical resonator can be arranged in the casing. The casing can be closed in a particularly sealed manner, and various environmental situations can be realized there, such as the presence of a gas / gas mixture or (some degree) vacuum. In addition to the
方向変動装置21として、MEMSミラーだけでなく、例えば振動する光ファイバまたは電気光学的光線偏向器など、さまざまな要素、装置または構成が用いられてもよい。振動する光ファイバの場合、利得要素からの光線は光ファイバの第1の端部に供給され、光ファイバを光ファイバの第2の端部から出る光は、(その方向の変動の下で)波長選択要素に伝搬し、方向変動は、例えばファイバの前記第2の端部を移動(振動)させることによって達成される。電気光学的光線偏向器の場合では、材料における光路は材料がかけられる電気信号を用いて変動される。例えば材料への電圧の印加による電界の印加または電荷担体の注入は、光が材料において伝搬する態様の変動を引起すことができ、特定的には、材料上への入射光線と材料を通って伝搬した後材料を出る光線との間の角度が変動され得るような態様で、材料の特性が変更される。これは、図23において上面図で概略的に簡略に描かれ、α1≠α2は偏向を示す。矢印の方向は、光生成要素から、つまり利得装置から半導体構造21を通って波長選択要素に向かう光路を示す。戻り経路は同じであるが、この図では示されない。
As the
光は、装置21(好適には構造化された材料を含む)に、第1の界面91(正面の面)において、角度α1の下で入る。入射角(AOI)α1は、法線(垂直)入射を指すであろう0であり得、またはこの第1の界面において望まれない反射を最小限にするために数度(例えば1°〜7°)であり得る。望まれない反射を抑えるために、反射防止コーティング(ARC)をこの第1の界面に対して適用することができる。装置21内では、光は光導波路に沿って進む。第1の界面91において、光導波路は、β1の傾斜角を有する。(自由空間/雰囲気から)装置21(より特定的にはその導波路)への最適結合が生じるのは、α1およびβ1がスネルの回折法則に従うときであり:
nextsin(α1)=neffsin(β1)
式中、neffは半導体装置21内の実効モード屈折率であり、nextは、通常は雰囲気(または別の気体もしくは真空)である、(第1の界面における)装置21の外側の材料の屈折率であり、したがって屈折率nextは単位元付近にある。半導体装置に対しては、neffは、典型的には、(導波路寸法および周囲の半導体材料のような)光導波路の設計に依存して、3.0〜3.5の範囲にある。したがって、第1の界面91における光導波路の傾斜角β1は、典型的には0°〜2°の範囲にある。
Light enters the device 21 (preferably comprising structured material) at a first interface 91 (front surface) under an angle α1. The angle of incidence (AOI) α1 may be 0, which would refer to normal (normal) incidence, or several degrees (eg, 1 ° -7 ° to minimize unwanted reflections at this first interface) °). An anti-reflective coating (ARC) can be applied to this first interface to suppress unwanted reflections. Within the
n ext sin (α1) = n eff sin (β1)
Where n eff is the effective mode refractive index in the
光導波路内を進む光は、角度β1より大きなAOIβ2の下で第2の界面92に入っている。電気光学的偏向器21から出る光は、β2およびα2がスネルの法則に従う状態で、角度α2の下で回折される:
neffsin(β2)=nextsin(α2)。
The light traveling in the optical waveguide enters the
n eff sin (β2) = n ext sin (α2).
電気光学的偏向器の可能な実現では、角度β2は、neffの値および範囲によって、10°〜20°の範囲にある。これは、射出角度α2が次いで30°〜90°の範囲にあることを意味し、より大きな角度は、この発明において特に有用であり得る。 In a possible realization of the electro-optic deflector, the angle β2 is in the range of 10 ° to 20 °, depending on the value and range of n eff . This means that the injection angle α2 is then in the range of 30 ° to 90 °, and larger angles may be particularly useful in the present invention.
重要なことには、装置21の実効モード屈折率は、装置21への電気信号、例えば電圧信号、電流信号の印加によって変更することができる。電圧信号は、通常、n層に電源の正(+)の端子およびp層に負(−)の端子を接続することによるような、電気信号を逆方向に印加することによって印加され;電流信号は、通常、p層に電源の正(+)の端子およびn層に負(−)の端子を接続することによるような、電気信号を順方向に印加することによって印加される。電圧を介する逆方向における屈折率変更は公知であり、フランツ‐ケルディシュ効果によって記述することができる。しかしながら、この効果は、一般的に、屈折を変更する際よりも、電気信号の印加によって光吸収を変更する際に、より効果的である。半導体に基づいた電気光学的光線偏向器の実際的な実現のために、実効モード屈折率は、したがって、電流注入(順方向において電気信号を印加すること)によってかなり変動される。pコンタクトおよびnコンタクトが例えば、図24、図27および図28に示されることに注目されたく、pコンタクトおよびnコンタクトは、原則的に、記載されるものに関して交換されることが考えられることが注目される。
Importantly, the effective mode refractive index of the
ある例においては、3°〜10°の偏向変動角度Δαが所望され、それは、電気的駆動装置信号の変更によって、出射角度α2が3°〜10°だけ変更するものとすることを意味する。屈折率変更の量は、通常、(光が装置21において伝搬する)能動領域の設計、および電気信号の適用可能性によって、制限される。しかし、増大した偏向変動角度Δαは、導波路傾斜角β2の増大によって達成可能であってもよい。結果的に、出射角度α2は、90°のその最大可能な値まで増大してもよい。設計パラメータが適切に調整されるとき、0.1の小さな屈折率変更は5°〜10°の偏向変動角度Δαを生じさせるのに既に十分であり得ることを達成することが可能である。 In one example, a deflection variation angle Δα of 3 ° to 10 ° is desired, which means that changing the electrical driver signal will change the exit angle α2 by 3 ° to 10 °. The amount of refractive index change is usually limited by the design of the active area (where light propagates in device 21) and the applicability of electrical signals. However, an increased deflection variation angle Δα may be achievable by increasing the waveguide tilt angle β2. Consequently, the exit angle α2 may increase to its maximum possible value of 90 °. When the design parameters are appropriately adjusted, it is possible to achieve that a small refractive index change of 0.1 can already be sufficient to produce a deflection variation angle Δα of 5 ° to 10 °.
偏向器21から出る光は、例えば、この特許出願において記載される回折格子または回折格子およびプリズムのアセンブリに向かって発せられる。伝搬の角度α2の他に、出射する光は、電気光学的偏向器21の光導波路の開口数(NA)によって記載される発散角度を有する。これは、出射する光が伝搬しながら増大する光線直径を有することを意味する。その理由のため、出射する光は、例えば、回折格子と組み合せて用いられるとき、適切な光学素子によって平行にされるべきである。これは例えば、ボールレンズを用いることによって達成されてもよい。別の選択肢は、例えば、図20に対して記載されるように、発散する光線に対する光線コリメーションを達成する凹状回折格子の使用である。導波路を含まない非線形の光学結晶に基づいた電気光学的光線偏向器は、通常、偏向される光線の増大した発散を示さない。
The light exiting the
半導体光学光線偏向器21の能動領域は、例えば2nm〜40nmの範囲に厚みを有する単一の量子井戸(QW)で、または同じかもしくは異なる厚み値を有する複数のQWで、実現することができる。光導波路は、例えば、リッジ導波路装置、または埋込み型導波路装置で実現することができ、後者は、典型的には、(光線コリメーションおよび他の光学部品にインターフェイスすることを考慮して)有利かもしれない、より円形のモードプロファイルを生成する。
The active region of the semiconductor
図24〜図28は、可能な半導体に基づいた電気光学的光線偏向器をさらに示す。
図24は、偏向されるべき光が伝搬する能動領域2.2と、典型的にはpコンタクトとして作用する頂部層2.4と、典型的にはnコンタクトとして作用する底部層2.3とを伴う電気光学的偏向器21の概略的な斜視図である。
Figures 24-28 further show possible semiconductor-based electro-optic beam deflectors.
FIG. 24 shows an active region 2.2 through which light to be deflected propagates, a top layer 2.4 that typically acts as a p-contact, and a bottom layer 2.3 that typically acts as an n-contact. 2 is a schematic perspective view of an electro-
図25は、頂部層3.4、能動領域3.2および底部層3.3を示す半導体偏向器21の、可能な実現の側面図である。能動領域は、2つの障壁層3.7によって取り囲まれた1つの量子井戸3.5からなる。
FIG. 25 is a side view of a possible realization of the
図26は図25に類似した側面図であるが、能動領域は、2つの以上の量子井戸、具体的には1つの量子井戸4.5および少なくとも1つの他の量子井戸4.6を含む。2つ以上の量子井戸は、異なる化学量論的な組成および/または異なる厚みを有してもよい。 FIG. 26 is a side view similar to FIG. 25, but the active region includes two or more quantum wells, specifically one quantum well 4.5 and at least one other quantum well 4.6. Two or more quantum wells may have different stoichiometric compositions and / or different thicknesses.
図27は、リッジ導波路構造を伴う半導体偏向器装置21の前または背(面)図であり、半導体材料のエッチングによって通常形成される隆起5.1、上側層5.4、能動領域5.2および下側層5.3を示す。典型的には、電気的なpコンタクトは隆起5.1の上に実現され、電気的なnコンタクトは下側層5.3の底部において実現される。下側層の底部は、エピタキシーによって成長される半導体構造が例えばGaAs、InPまたはGaN基板上に成長される半導体基板であってもよい。
FIG. 27 is a front or back (face) view of a
図28は、埋込み型導波路構造を伴う半導体偏向器装置21の前または背(面)図であり、上側層6.4、能動領域6.2および通常はnコンタクトとして機能する下側層6.3を示す。導波路は、例えば、能動領域を通って下側層6.3までエッチングし、次いでより低い屈折率を有する別の半導体材料6.5を再成長させ、それに、電気的コンタクト層、典型的にはpコンタクトとして作用する、別の再成長された頂部(キャップ)層6.1が続くことによって、形成することができる。
FIG. 28 is a front or back (face) view of a
Claims (26)
−光増幅を与えるよう動作可能な第1の半導体利得装置と、
−回折格子を含む波長選択要素と、
−光再方向付け器とを含み、
前記第1の半導体利得装置、前記光再方向付け器および前記回折格子を、相互に配置して、光共振器を、前記第1の半導体利得装置によって発せられ前記回折格子によって回折される光部分に対して確立し、
前記光共振器は外部キャビティレーザー共振器であり、
前記光源は、前記波長選択要素上に入射する光の方向を変動させることにより、共振器放射波長を前記波長選択要素上の光の入射角に依って選択することを可能にする方向変動装置を含み、
前記第1の半導体利得装置に加えて、光増幅を与えるよう動作可能な第2の半導体利得装置を含み、前記方向変動装置は、前記第1の半導体利得装置において増幅された光および前記第2の半導体利得装置において増幅された光を受け、受取られた光のさらなる伝搬の方向を変動することができるように配される、光源。 A light source,
A first semiconductor gain device operable to provide optical amplification;
A wavelength selective element comprising a diffraction grating;
-A light redirector;
The first semiconductor gain device, the optical redirector, and the diffraction grating are arranged with respect to each other so that an optical resonator is emitted by the first semiconductor gain device and diffracted by the diffraction grating. Established against
The optical resonator is an external cavity laser resonator;
The light source includes a direction changing device that makes it possible to select a resonator radiation wavelength according to an incident angle of light on the wavelength selection element by changing a direction of light incident on the wavelength selection element. Including
In addition to the first semiconductor gain device, a second semiconductor gain device operable to provide optical amplification, wherein the direction change device includes the light amplified in the first semiconductor gain device and the second semiconductor gain device A light source arranged to receive the amplified light in the semiconductor gain device and to change the direction of further propagation of the received light.
−光を偏向させるための可動要素を伴う光線偏向構成、または
−材料の一部を含み、前記材料の一部は、前記材料への電気信号の印加によって、前記材料において伝搬する光の伝搬の方向を変動させることができる、請求項1〜3のいずれか1つに記載の光源。 The direction changing device is:
A light deflection arrangement with a movable element for deflecting light, or comprising a part of a material, the part of the material being adapted for the propagation of light propagating in the material by application of an electrical signal to the material The light source according to claim 1, wherein the direction can be changed.
−前記光源と光通信を行なう干渉計の一部を含み、
−前記干渉計の一部は、前記光源によって生成されサンプルから返される光の一部を、前記光源によって生成され前記干渉計に返される光の一部に、参照経路を介して結合するよう動作可能であり、前記光干渉断層撮影装置はさらに、
−前記干渉計からそのように結合された光を受けるよう位置決めされる検出器ユニットを含む、光干渉断層撮影装置。 An optical coherence tomography apparatus, the light source according to any one of claims 1 to 21 , and
-Including a portion of an interferometer in optical communication with the light source;
The portion of the interferometer is operable to couple a portion of the light generated by the light source and returned from the sample to a portion of the light generated by the light source and returned to the interferometer via a reference path; And the optical coherence tomography apparatus further comprises:
An optical coherence tomography device comprising a detector unit positioned to receive the light so coupled from the interferometer;
−回折格子を含む波長選択要素を設けるステップと、
−第1の半導体利得装置において光を増幅し、第2の半導体利得装置において光を増幅するステップと、
−前記第1の半導体利得装置によって発せられ前記回折格子によって回折される光部分に対して第1の外部キャビティレーザー共振器を確立するステップと、
−前記第2の半導体利得装置によって発せられ前記回折格子によって回折される光部分に対して第2の外部キャビティレーザー共振器を確立するステップとを含み、前記第1および第2の外部キャビティレーザー共振器は、互いに異なるか、全体的または部分的に同一であり、前記方法は、さらに、
前記第1および第2の外部キャビティレーザー共振器において、前記波長選択要素上に入射する光の方向を変動させることにより、共振器放射波長を前記波長選択要素上の光の入射角に依って選択するステップとを含む、方法。 A method for generating light rays of varying wavelength,
Providing a wavelength selective element comprising a diffraction grating;
Amplifying light in a first semiconductor gain device and amplifying light in a second semiconductor gain device;
Establishing a first external cavity laser resonator for a light portion emitted by the first semiconductor gain device and diffracted by the diffraction grating;
Establishing a second external cavity laser resonator for an optical portion emitted by the second semiconductor gain device and diffracted by the diffraction grating, the first and second external cavity laser resonances The vessels are different from each other, or wholly or partially the same, and the method further comprises:
In the first and second external cavity laser resonators, by changing the direction of light incident on the wavelength selection element, the resonator radiation wavelength is selected depending on the incident angle of the light on the wavelength selection element Comprising the steps of:
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